Спосіб електромагнітного перемішування рідкого металу системою обертових магнітних полів

Винахід відноситься до області магнітної гідродинаміки суцільних середовищ, зокрема, до впливу обертових магнітних полів на рідкий метал в машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) або в ємностях. Відомо спосіб для безперервного лиття металів та сплавів (патент США № 4450893, МПК 5 В22D27/02), в якому для перемішування рідкого металу використовується обертове магнітне поле, що створене двополюсним електромагнітним перемішувачем (ЕМП). Недоліком даного способу електромагнітного перемішування є недостатньо ефективний теплообмін на фронті кристалізації заготовки та утворення воронкоподібного меніску на поверхні металу. Ці фактори знижують формування тверднучої сталевої кірки і якість поверхні безперервно литої заготовки. Відомо спосіб електромагнітного перемішування в процесі безперервного розливання металу хпатент США № 4852635, МПК 4 В22D11/10]. В способі використовуються обертові магнітні поля, що створюються обмотками, по крайній мірі, з двома парами полюсів для впливу на рідку фазу заготовки. Обмотки однієї пари полюсів живляться від джерела змінного струму в межах 1...60 Гц, а частота живлення обмоток другої пари полюсів на 0,03...0,25 Гц вища за першу. При такому способі перемішування металу накладанням магнітних полів приблизно однакової частоти знижується негативна сегрегація у внутрішній структурі заготовки, але використання таких магнітних полів не дозволяє створити достатньо великі електродинамічні зусилля (ЕДЗ), які інтенсивно перемішують рідкий метал. Прототипом запропонованого способу електромагнітного перемішування рідкого металу є спосіб управління потоками металу за допомогою обертових магнітних полів, що використовуються при безперервному розливанні заготовок квадратного та прямокутного перерізів [патент США № 5699850, МПК 6 В22D11/04]. Даний спосіб включає управління швидкістю руху металу на меніску шля хом застосування зустрічних або однаково спрямованих обертових магнітних полів, створених з допомогою двох окремих ЕМП з двома полюсами, що розміщені навколо осі кристалізатора МБЛЗ. Другий ЕМП, що знаходиться у верхній частині кристалізатора, з допомогою реверсування напрямку р уху обертового магнітного поля дозволяє управляти течією в області меніска, в залежності від те хнологічних режимів розливання металу, шляхом гальмування або підсилення руху металу, що ініційований обертовим магнітним полем першого перемішувача, який розміщений під другим ЕМП. Недоліком даного способу є використання двох обертових магнітних полів, які створені двома двополюсними ЕМП, що не дозволяє отримати таку конфігурацію результуючого магнітного, яка забезпечує невелику швидкість руху металу біля осі кристалізатора і максимальну швидкість металу на фронті кристалізації. В основу винаходу поставлена задача - розробити спосіб електромагнітного перемішування металу на основі використання системи обертових магнітних полів, що збуджуються ЕМП з різним числом полюсів, які мають протилежні або однакові напрямки руху магнітних полів, тобто гальмують чи підсилюють рух металу навколо вертикальної осі кристалізатора МБЛЗ чи ємності. Поставлена задача досягається тим, що в способі електромагнітного перемішування рідкого металу системою обертових магнітних полів в кристалізаторі або ємності, який включає накладення двох обертових магнітних полів, що мають протилежні або однакові напрямки руху і спрямовані навколо осі кристалізатора або ємності, згідно з винаходом, на рідкий метал накладають систему двох або більше обертових магнітних полів однакової частоти, які створені обмотками з різним числом полюсів. При цьому, одна з обмоток, яка збуджує обертове магнітне поле, має два полюси, а інша обмотка - багато полюсів і збуджує обертове магнітне поле, що спрямоване назустріч обертовому магнітному полю обмотки з двома полюсами та вказана багатополюсна обмотка створює електродинамічні зусилля в металі, які врівноважують електродинамічні зусилля, що ініційовані обмоткою з двома полюсами. До того ж, обертове магнітне поле багатополюсної обмотки спрямоване в одному напрямку з магнітним полем обмотки з двома полюсами та підсилює його. Крім того, періодично змінюють напрямок руху обертового магнітного поля багатополюсної обмотки відносно напрямку руху магнітного поля обмотки з двома полюсами. До цього, що періодично змінюють напрямок руху обертового магнітного поля обмотки з двома полюсами відносно напрямку руху магнітного поля багатополюсної обмотки. Також, періодично збуджують обертове магнітне поле обмоткою тільки з двома полюсами. Крім того, багатополюсна обмотка, за допомогою якої періодично збуджують обертове магнітне поле, має чотири або більш полюсів і це обертове поле збуджуюють періодично. До цього, обертові магнітні поля збуджуються обмотками, які живляться струмами від різних джерел живлення. При чому, обертові магнітні поля збуджуються обмотками, які живляться струмами від одного джерела живлення та з'єднані послідовно. До того ж, обертові магнітні поля збуджуються обмотками, які живляться струмами від одного джерела живлення та з'єднані паралельно. Окрім того, спочатку створюють перемішування металу накладанням на нього обертового магнітного поля обмотки з двома полюсами, а надалі - накладанням на рідкий метал обертового магнітного поля обмотки з чотирма і більше полюсами в залежності від режимів обробки рідкого металу. Даний спосіб реалізується з допомогою ЕМП, що виконаний з багатофазними обмотками з двома і більше числом полюсів. На Фіг.1 показана схема ЕМП, що пояснює реалізацію способу електромагнітного перемішування рідкого металу під впливом двох обертових магнітних полів однакової низької частоти, що спрямовані назустріч і збуджуються обмотками з двома та чотирма полюсами, наприклад, в кристалізаторі МБЛЗ. Причому, запропонований спосіб перемішування має переваги при безперервному розливанні сталі із зануреним сталерозливним стаканом і шлаковим захисним шаром на вільній поверхні металу в кристалізаторі. ЕМП представляє собою феромагнітний магнітопровід 1 в пазах якого закладені дві трифазних обмотки 2 та 3. Перемішувач охоплює кристалізатор 4 зовні. В кристалізаторі, що охолоджується водою формується кірка 5 рідкометалєвої фази безперервнолитої заготовки 6. Дзеркало рідкого металу вкрито захисним шаром шлаку 7. Зверху вздовж осі кристалізатора розміщено занурений сталерозливний стакан 8, в отворах якого формуються вихо рові течії 9. Двообмотковий ЕМП ініціює в рідкій сталі течії 10 та 11. Спосіб реалізується наступним чином. Одночасно з початком роботи МБЛЗ подають напругу від джерела живлення на обмотки 2 та 3 ЕМП. Перша обмотка ЕМП, що виконана з двома полюсами збуджує обертове магнітне поле. Друга обмотка, що виконана з чотирма або більше полюсами, живиться від того ж джерела живлення трифазної мережі напруги, що і перша та зб уджує магнітне поле, яке обертається назустріч магнітному полю обмотки з двома полюсами. Обмотки з'єднані послідовно. При такому виконанні ЕМП частота змінного струму, який живить його обмотки, вибирається в інтервалі низьких частот. При цьому досягається необхідний силовий вплив на метал при незначних джоулевих втрата х в стінках кристалізатора. Підбором низької частоти живлення і амплітуди стр умового навантаження реалізуються режими руху розплавленого металу з практично нульовою швидкістю на осі кристалізатора і необхідної по технологічним вимогам швидкості руху біля фронту кристалізації. Розрахунки вказують на стійкий характер руху рідкого металу, який обумовлюється течіями розплаву, що спрямовані назустріч. Перемішувач розміщений навкруги кристалізатора 4, на внутрішній поверхні якого формується кірка 5 з рідкого металу 6, що вкритий захисним шаром шлаку 7. Метал поступає через занурений стакан 8 і витікає з нього течіями 9. Під впливом магнітних полів, що спрямовані назустріч здійснюється азимутальний рух розплаву за траєкторіями з різними напрямками в центральній 10 та в периферійній зонах 11 зливку, що обумовлені впливами ЕДЗ від першої та др угої обмоток ЕМП. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє створити інтенсивний азимутальний рух розплаву на фронті кристалізації безперервнолитого зливку і незначний - на осі кристалізатора МБЛЗ. Обертове магнітне поле багатополюсної обмотки, що спрямоване назустріч магнітному полю обмотки з двома полюсами, створює ЕДЗ в металі, які врівноважують ЕДЗ, що ініційовані обмоткою з двома полюсами і внаслідок цього виникає рух металу з незначною швидкістю на осі кристалізатора та максимальною швидкістю біля фронту кристалізації. Обертове магнітне поле багатополюсної обмотки спрямоване в одному напрямку з магнітним полем обмотки з двома полюсами і підсилює його. Даний спосіб реалізується з допомогою ЕМП, що виконаний з обмотками, які мають два і більше число полюсів. На Фіг.2 показана схема ЕМП, що пояснює реалізацію способу електромагнітного перемішування рідкого металу під впливом двох обертових магнітних полів, що спрямовані однаково і створені обмоткамиз двома та чотирма полюсами, наприклад, в кристалізаторі МБЛЗ. ЕМП представляє собою феромагнітний магнітопровід 1, в пазах якого закладені дві трифазних обмотки 2 та 3. Перемішувач охоплює кристалізатор 4 зовні. В кристалізаторі, що охолоджується водою формується кірка 5 рідкометалевої фази литої заготовки 6. Дзеркало рідкого металу відкрите і в нього впадає металевий струм 7. Обертові магнітні поля ЕМП, що мають однаковий напрямок руху, фо рмують параболічний меніск металу 8. Струм рідкого металу 7 створює вихрові течії 9. Двообмотковий ЕМП ініціює в рідкій сталі течії 10, що спрямовані в одному напрямку. Даний спосіб перемішування має переваги при безперервному розливанні сталі відкритим струменем в кристалізатор МБЛЗ. Періодична зміна напрямку руху обертового магнітного поля багатополюсної обмотки відносно магнітного поля обмотки з двома полюсами у випадку, коли магнітне поле спрямовано згідно з рухом магнітного поля обмотки з двома полюсами, підсилює дію цього поля, а коли поле спрямовано назустріч магнітному полю обмотки з двома полюсами, то гальмує. Зміна напрямку руху обертового магнітного поля багатополюсної обмотки відносно магнітного поля обмотки з двома полюсами, впливає на градієнт температури безпосередньо на фронті кристалізації та в двофазній зоні. Періодична зміна напрямку обертового магнітного поля обмотки з двома полюсами відносно магнітного поля багатополюсної обмотки сприяє зменшенню негативної ліквації, так як зменшується швидкість азимутального руху металу за рахунок створення зворотних течій. Крім того, знакозмінні навантаження приводять до ефективнішого руйнування стовпчастої дендритної структури, ніж при постійному азимутальному руху металу в одному напрямку. При чому, такі знакозмінні силові навантаження є меншими за величиною у порівнянні з постійними навантаженнями. Періодичне створення обертового магнітного поля обмоткою з двома полюсами дозволяє ефективно використовува ти режими енергозбереження для виконання технологічного процесу, що приводить до споживання нижчої потужності для перемішування металу ніж при постійній роботі ЕМП. При цьому ефективність перемішування рідкого металу збільшується, особливо це стосується вибору режимів експлуатації ЕМП для запобігання негативної ліквації. Періодичне створення обертового магнітного поля обмоткою з чотирма і більш полюсами зменшує швидкість азимутального руху в об'ємі металу і не дозволяє достатньо ефективно перемішувати метал в середині зливку, але сприяє інтенсивному руху металу на фронті кристалізації. Коли обертові магнітні поля створюються обмотками, які живляться струмами від різних джерел живлення, це дозволяє окремо регулювати стр умові навантаження двополюсної та багатополюсної обмоток і виконувати їх на різні номінальні струмові навантаження. Таким чином, можна окремо управляти швидкістю руху як на меніску метала, так і в об'ємі рідкометалевої фази зливку. Якщо обертові магнітні поля створюються обмотками, які живляться струмами від одного джерела живлення та з'єднані послідовно, це дозволяє спростити схему регулювання швидкості руху металу. Обертові магнітні поля створюються обмотками, які живляться струмами від одного джерела живлення та з'єднані паралельно. При цьому здійснюється окреме управління двополюсною та багатополюсною обмотками і в результаті окреме регулювання швидкості на меніску та в об'ємі рідкого металу. Електромагнітне перемішування рідкого металу створюють спочатку накладанням на метал обертового магнітного поля обмотки з двома полюсами, а надалі - накладанням на метал обертового магнітного поля обмотки з чотирма і більше полюсами, що дозволяє проводити комбіновану обробку металу в залежності від режимів розливання. При розливанні металу відкритим струменем накладають на метал обертове магнітне поле обмотки з двома полюсами, що дозволяє перемішувати метал із заданою азимутальною швидкістю. Якщо необхідно інтенсифікувати процес перемішування, додатково накладають на метал обертове магнітне поле обмотки з чотирма і більше полюсами, яке направлене в одному напрямку з магнітним полем обмотки з двома полюсами. При розливанні металу із зануреним стаканом та захисним шаром шлаку спочатку створюють перемішування металу накладанням на метал обертового магнітного поля обмотки з двома полюсами, а надалі - накладанням на метал обертового магнітного поля обмотки з чотирма і більше полюсами, яке спрямоване назустріч магнітному полю обмотки з двома полюсами. Приклад 1. Обчислено розподіл ЕДЗ в перерізі круглої заготовки в дослідному зразку системи ЕМП-МБЛЗ. Внутрішній радіус кристалізатора дослідного зразка складав 0,025м, а зовнішній - 0,0275м. Радіус розточки ЕМП дорівнював 0,062м. Напрямок обертання магнітних полів, що створені обмотками ЕМП, є зустрічний. Обертове магнітне поле чотирьохполюсної обмотки спрямоване назустріч обертовому магнітному полю від обмотки з двома полюсами і створює в металі ЕДЗ, які врівноважують ЕДЗ від обмотки з двома полюсами. На Фіг.3 приведений розподіл вектора густини сил в круглій заготовці при амплітудних значеннях струмових навантажень 3600А/м і 18000А/м двополюсної та чотирьохполюсної обмоток відповідно та при частоті 5Гц. При такому співвідношенні струмових навантажень вплив магнітних полів на рідкий метал, створених першою і другою обмотками, порівняний за величиною ЕДЗ. При цьому видно, що в центральній частині заготовки сили спрямовані в одному напрямку, а в приповерхневій частині - в протилежному. При даному числі витків першої і другої обмоток мають місце максимальні ЕДЗ в периферійній зоні, тобто суттєво інтенсифікується теплообмінний процес на фронті кристалізації, що прискорює формування тверднучої кірки литої заготовки. Приклад 2. Обчислено розподіл ЕДЗ в перерізі круглої заготовки в дослідному зразку системи ЕМП-МБЛЗ. Внутрішній радіус кристалізатора дослідного зразка складав 0,025м, а зовнішній - 0,0275м. Радіус розточки ЕМП дорівнював 0,062м. Напрямок обертання магнітних полів, що створені обмотками ЕМП, є однаковим. Обертове магнітне поле чотирьохполюсної обмотки спрямоване однаково з магнітним полем обмотки з двома полюсами і підсилює його. На Фіг.4 приведений розподіл вектора густини сил в круглій заготовці при амплітудних значеннях струмових навантажень 3600А/м і 18000А/м двополюсної та чотирьохполюсної обмоток відповідно при частоті 5Гц. При цьому видно, що сили в центральній частині заготовки і в приповерхневій частині спрямовані в одному напрямку і результуюче обертове магнітне поле створює максимальні за величиною ЕДЗ, тобто суттєво інтенсифікується теплообмінний процес, що прискорює формування литого зливку. Приклад 3. На Фіг.5 приведена картина розподілу вектора густини сил у круглій заготовці при амплітудних значеннях струмових навантажень 3600А/м двополюсної обмотки при частоті 5Гц. Приклад 4. На Фіг.6 представлені результати розрахунку розподілу вектора густини сил в перерізі круглої заготовки від обмотки з чотирма полюсами при амплітудних значеннях струмових навантажень 18000А/м та при частоті 5Гц. Приклад 5. На Фіг.7 представлена картина розподілу вектора густини сил в круглій заготовці при амплітудних значеннях струмових навантажень 3600А/м і 80000А/м двополюсної та шестиполюсної обмоток відповідно та при частоті 5Гц. При цьому видно, що в центральній частині заготовки сили спрямовані в одному напрямку, а в приповерхневій частині - в протилежному. Як видно з Фіг.7, в периферійній зоні зливку виникають чотири вихрові течії, які створюються під дією електричних струмів в обмотках з двома і шістьма полюсами. Це сприяє інтенсифікації теплообмінних процесів на межі розподілу середовищ на фронті кристалізації, що прискорює процес формування тверднучої кірки литої заготовки. Наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату при здійснені заявленого способу. Література: 1. Патент США № 4450893, МПК 5 В 22 D 27/02. 2. Патент США № 4852635, МПК 4 В 22 D 11/10. 3. Патент США № 5699850, МПК 6 В22 D 11/04.